中国风能开发利用的风环境区划

基于大气边界层气象和气候学理论分析以及中尺度数值模拟,采用秒级探空气象资料和典型地形激光雷达观测资料,依据风能利用高度内总体风能资源开发潜力,划分出9个风环境区。年平均风能环境指数最高的风环境区是北方通风廊道,其次是东北平原,最低的是青藏高原下游地区。发现在稳定大气条件下,风能利用高度内的平均风速垂直变化呈两层分布形态,下层平均风速随高度的增速比上层大2～5倍。下层风速的垂直变化取决于地表特征,上层则受上游大地形造成的局地环流影响,由此形成不同风环境区风能资源特性的差异。最后给出构建不同地形条件下平均风廓线计算方法的建议。结论可为中国风能资源评估理论拓展与数值模拟、风电场选址和适用复杂地形条件的风电机组设计提供科学支撑。     

基于中微尺度耦合模式的风电场风资源评估方法研究

针对传统风资源评估方法采用假设的入流风廓线模型而无法考虑宏观大气环流对风电场内风流动影响的问题,文章基于中尺度WRF模式和微尺度CFD模型,研究了基于中微尺度耦合模式的风资源评估方法。首先,建立基于WRF模式的中尺度数值模拟方法和基于CFD方法的微尺度风资源评估方法;其次,研究了中微尺度数值模拟方法的耦合原理,构建了从中尺度模拟结果中提取微尺度建模计算边界附近风速廓线的方法,建立了中微尺度耦合风资源评估流程;最后,通过某复杂山地风电场进行验证。验证结果表明,中尺度模拟结果可以改善微尺度CFD模型的入流边界条件,并有效降低风资源评估的误差。     

基于NWP/CFD嵌套的复杂地形风场模拟研究

为解决复杂地形边界层风场模拟的边界条件问题,结合中尺度数值天气预报(NWP)和小尺度计算流体动力学(CFD)技术,提出一种基于NWP/CFD嵌套的降尺度风场模拟方法。该方法依据NWP低分辨率输出结果,建立目标区域来流边界数据库,并结合反距加权插值获得CFD边界精细格点信息。以沿海地区2处复杂地形为对象,重现目标区域内的风场日变化。参考经验风剖面分布形式,验证插值算法在中小尺度耦合界面数据传递的适用性。然后基于模拟域内实测点数据及误差统计指标,评估风场模拟效果。结果表明,所提降尺度风场模拟方法能有效反映微地形、微气象对风力机尺度大气运动影响。     

典型风电场地形大气稳定度对风机出力的影响

[目的]分析了大气稳定度对风机出力的影响,为提高计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）风能资源模拟精度提供技术参考。[方法]选取立于平坦和复杂山地两类典型地形上的两座测风塔不同高度的风速、气温、气压等观测数据,使用莫宁-奥布霍夫长度法分别计算两座测风塔所在区域的大气稳定度,参照Irwin大气稳定分类标准对稳定度计算结果分类,再根据分类结果进行两座测风塔轮毂高度处出力分析。[结果]结果表明：在近地面层,复杂山地大气热效应造成的表层垂直混合作用更为明显,造成的大气不稳定性较为强烈,但垂直混合作用不充分;复杂山地大气稳定度对风机出力的影响大于平坦地形,其不确定性更强。[结论]在进行CFD风电场流体建模时需要考虑大气稳定度的影响,特别是超低风速复杂山地场址条件下,大气稳定度的评估对风机选型及发电量仿真精度尤为重要。     

复杂地形风场CFD模拟计算域的讨论

采用CFD软件包FINE/TURBO和带有壁面函数的k-ε湍流模型进行复杂地形地貌风电场流场的数值模拟研究。首先以简化的二维山地模型,探索计算域的高度、长度对目标山地流场的影响,然后变化不同二维模型入口的水平过渡及连接位置,分析并给出地形边界处理的合理建议,最后针对排布简单的三维模型、风场实际地形进行讨论。     

峡谷地形条件下风电场风况数值模拟研究

针对掌握复杂地形区域内的风能分布对风电场微观选址有重要作用的问题,采用计算流体力学(CFD)技术,基于商用软件FLUENT平台,数值模拟了峡谷地形中风流流动规律,对比分析了主导风向、地形坡度及地面粗糙度三种主要影响因素变化时风场风速的分布情形,可为此类地形风电场的风机机位布置和塔架安装高度提供参考.     

风电工程中负切变现象的分析研究

针对风电工程中的负切变现象,分析了负切变现象形成的原因,结果表明,在下垫面粗糙度产生突变的过渡段区域、有明显隆升地形的区域,以及大气热稳定性变化大的区域容易产生负切变现象;结合潮间带海上风电场、复杂地形的山地风电场及温度变化剧烈区域的平原风电场的实际测风数据,分别分析了粗糙度、复杂地形、大气热稳定性对风切变特性的影响,...     

基于Openfoam的怀来复杂地形风电场流动特性研究

针对实际风电场复杂地形的流动特性,基于Openfoam开源软件进行二次开发。通过自主研发的网格捕捉地形工具,运用计算流体力学(CFD)模拟方法,研究了复杂地形条件下不同扇区入口方向的流动模拟。模拟结果表明:基于Openfoam的复杂地形模拟方法具有较高的模拟精度,验证了方法的可行性;以河北怀来的实际复杂地形为研究对象,通过定性和定量速度场特性分析可知,风绕过山体,受到山体漩涡流动和风机尾流损失的影响,风电场的风能品质下降;主风向下流动的自持性较高,而在其他扇区进出口的流向速度梯度不为零,存在较大的回流现象,各个机位点在轮毂高位处的观测结果与商业软件计算结果相差15%左右。文章的研究方法对于复杂地形数值模拟和风电场微观选址具有重要的参考价值。     

基于CFD和风洞实验对丘陵地形风资源分布的研究

随着新能源行业的深入发展,风电行业发展更为迅速,对于一个风电项目而言,研究其风资源分布特性尤为重要。中国内陆地形较为复杂,大部分为山地丘陵。受地形的影响,风资源分布特性较为复杂,评估较为困难。先建立余弦型的丘陵地形物理模型,分别采用CFD数值模拟、风洞实验2种方法对丘陵地形周围流场进行模拟仿真与实验测试,通过对丘陵迎风坡、背风坡特定参考点水平风速、垂直风速变化特征的分析,归纳总结了丘陵地形周围风资源分布特征,为丘陵地形下风能开发利用提供一定的参考。     

动态风工况下复杂地形风电场流场多尺度仿真

首先在秒级风速数据的基础上构建动态风速函数模拟真实风速工况,同时基于高程数据构建某真实复杂地形的三维结构图。基于格子玻尔兹曼方法并结合自适应格子排布,对复杂地形风电场非定常流场进行数值计算,得到该风电场的风资源分布。之后在典型位置布置2台2 MW风力发电机,考虑真实风力机叶片的动态旋转计算风力机及真实复杂地形在动态风工况下的流场。研究实际复杂地形和动态风速下风电场的风速分布及尾流结构演变规律。结果表明：该方法可实现对复杂地形在动态来流风速作用下的风资源分布预测,并考虑风力机小尺度尾流结构实现对真实风电场流场的多尺度仿真。     

WEPAS和WAsP在复杂地形条件下的适应性

利用WEPAS和WAsP软件分别计算了南澳风电场的发电量,在充分考虑岛屿型复杂地形地貌条件下对2个软件的计算结果进行对比分析,研究表明,对于地形复杂的南澳风电场,WEPAS和WAsP软件发电量计算结果与实际发电量差值分别为-15.18%和28.02%。其中,WEPAS软件计算的风电场风速和风功率密度上下限偏差较小,结果比较平滑;WAsP软件计算结果比实际值偏高,但是单台风机平均风速和发电量计算结果与实际风况变化趋势比较一致。对上述结论的可能原因进行分析,初步显示2种软件的风场风况计算模式在复杂地形条件下存在较大的不足,风场诊断模式不能较好地模拟复杂地形条件下大气边界层风廓线的实际流动状况。因此,需要改进模式,研发出适用于大气边界层流动计算的风廓线模型、湍流模型和地表函数模型。     

复杂地形下风力机尾流数值模拟研究和激光雷达实验对比

以CFD数值计算和实验相结合的方法,对处于中国西南某多山地区陆上风电场的尾流特性进行研究,验证不同数值方法在复杂地形的适用性。首先采用2台激光雷达,测量目标风力机一个月内的自由来流风速和尾流廓线,在地形上坡加速效应下,不同大气稳定度下目标风力机的自由来流风速廓线均呈负梯度。然后分别采用经典致动盘和改进致动盘法,模拟目标风力机在主风向下的尾流发展。不同于只有风速与压降关系的经典致动盘法,改进致动盘法更考虑了叶片几何和气动参数(尺寸信息、攻角、桨距角、升阻力系数等)。通过与后置激光雷达尾流测试结果对比,这2种基于CFD技术的数值模拟方法,计算网格相同,计算时间相当,且均能较好地模拟因为复杂地形而引起的尾流偏转;其中改进致动盘的尾流形状与激光雷达相似,速度亏损也更接近激光雷达结果。因此,改进致动盘法更适合于复杂地形条件下风场模拟,较好平衡了计算的效率与精度。     

基于大涡模拟与中尺度数值天气模式的精细化风场模拟

[目的]结合中尺度模型与大涡模拟模型,考虑大气边界层变化,开展了亚公里级的项目机组排布的数值模拟,给海上风机项目在选址排布阶段提供发电效能高的排布方案。[方法]将中尺度数值天气模拟结果转换为大涡模拟模型输入的边界条件,并在大涡模拟模型中引入实际风电场运行的模型参数,进行考虑实际大气边界层变化下的风电场空间的环境风场数值模拟试验,基于风电场收集的观测数据,对本风场精细化模拟方案的结果进行评估。[结果]模拟结果表明：将中尺度天气模型的模拟结果转换为大涡模拟模型能读取的动态驱动并基于该模型对风电场所处的风场进行模拟,其模拟结果能再现在实际风电场中,外部风场流经风电场后,外部风场的变化和在风电机群内所产生的尾流及其对于风电场内部风场的影响,且在风机轮毂处的风速模拟值的均方根误差为1.54 m/s。[结论]该考虑中尺度气象要素变化和风电场对环境风场影响的风场精细化模拟方案可为实际项目设计阶段提供相应的指导。     

测风塔选址对复杂地形风电场风资源评估的影响

为研究复杂地形条件下风电场测风塔的代表性及其对风资源评估的影响,以陕西省靖边县境内某风电场为例,选取3座测风塔资料,利用WindSim软件模拟分析了2011年风电场风能资源分布,并估算了风电场年发电量。结果表明,复杂地形风电场处测风塔数量较少时风资源评估结果的不确定性显著增加,而在考虑地形因素情况下测风塔数量增多,估算发电量更为准确。在地形较为复杂的风电场应根据地形条件布设适当数量测风塔,以得到风电场内较为精准的风资源分布,减少因测风塔位置选择而造成的风资源评估的不确定性。     

卫星遥感地理信息与数值模拟应用于风能资源综合评估新尝试

该文提出一套综合的应用于风能资源评估的分析系统。应用卫星遥感反演出地形、地貌特征，融合地理信息数字高程数据，获得三维TM图像，在三维地形上进行风场的数值模拟和分析，得到该区域风能分布图，用以进行风电场宏观选址；根据宏观选址结果，通过在备选风电场进行风实测，应用研制的风能资源分析软件对该实测资料进行进一步地可行性分析，为风电场的开发作好前期的准备工作。     

两种数值模式用于风场模拟的对比研究

以珠海横琴风电场为实例,分别使用线性模型WAsP及基于Fluent的计算流体力学(CFD)模型进行风场模拟及发电量计算,得出两种模型下的计算结果;分别对两者的模拟风速、计算发电量与实际发电量进行比较,并分析误差原因.试验结果表明:对于地形复杂的横琴风电场,WAsP模拟的风速值普遍高于Fluent模拟的风速值;WAsP计算年发电量的误差为21.6％,Fluent的误差为10.4％;基于Fluent的CFD模型在风场模拟中比线性模型WAsP具有更高的准确性.     

实际地形风场CFD模拟中粗糙度的影响分析

以苏格兰Askervein小山为例,基于Fluent流体计算平台,结合NURBS地形建模方法,模拟了实际地形下的风场分布.分别在粗糙度长度为0～0.05m的情况下进行CFD风场模拟试验.与实测的风速加速比进行比较,发现模拟所得的风速加速比均方根误差在迎风面保持在6%以内,而背风面最大为26.56%,表明粗糙度条件对CFD风场模拟结果有较大影响.实现了用于CFD风场模拟的下垫面粗糙度精细化方法.在迎风坡和背风坡设置不同粗糙度长度的情况下,风速加速比均方根误差减小为7.42%,模拟结果在背风坡区域有明显改善.最后指出,在进行复杂地形风场CFD数值模拟时,有必要进行粗糙度条件的精细化设置.     

台风过境风电场的CFD数值模拟方法研究

以台风烟花过境沿海陆上风电场期间,风电场内特别是风电机组位置的风速、风向和湍流强度的微尺度分布及其随时间的变化为研究对象,基于中尺度WRF模式的模拟结果建立CFD计算域的边界条件,建立台风大气边界层风速、风向廓线参数化模型,以及考虑中尺度热带气旋和台风边界层内卷效应的风场CFD计算模型。算例结果表明,所建立的台风大气边界层风场CFD计算模型可反映台风大气涡旋在风电场微尺度范围的流动特性,风电机组轮毂点的计算风速和实测的机舱风速符合较好,表明所研究的方法可进一步应用于台风影响地区风电场内风电机组台风风险的精细化评估,开展考虑台风风险的微观选址优化等。     

基于CFD和NCPSO的复杂地形风电场微观选址优化

针对复杂地形条件下风电场微观选址技术难度大的问题,提出一种基于数值计算结果和高效优化方法的微观选址优化算法。将测风数据按风向等分成12个扇区,并利用平均风速和CFD对复杂地形的每个扇区进行数值模拟,得到风电场各扇区的风资源分布,提取轮毂高度处的风速和风向分布。优化中风力机的尾流影响采用Jensen尾流模型,风电场风能计算中风速按照威布尔分布处理,并考虑每个扇区风速的大小、概率密度。目标函数为整个风电场的输出功率倒数的对数,自变量为风力机在给定风电场中的位置坐标,约束条件为地形边界和风力机之间的最小距离,优化算法采用该文提出的改进小生境粒子群算法(NCPSO),优化风力机组微观选址的最优解。该文提出优化算法得到的结果与基于高度的经验布置方法(EX-TH)、基于风能密度的经验布置方法(EX-PH)以及普通粒子群算法(PSO)进行比较,证明在复杂地形条件下所提出方法的可靠性与有效性,并可应用于工程实践。     

从天气尺度到风力机尺度大气运动的动力模拟

建立起中尺度天气模式WRF(weather research and forecasting)和计算流体力学模式Fluent的耦合系统,将WRF输出当做边界条件驱动Fluent,用于风场信息的精确模拟。利用该系统对下垫面条件复杂的鄱阳湖区域风场进行模拟分析,并将模拟数据与两个测风数据集进行定量比较,结果表明WRF耦合Fluent系统模拟的近地风场信息比WRF直接模拟结果有明显改善,证实中尺度天气模式耦合计算流体力学模式的技术思路有很好的可行性。这个耦合系统实现了从天气尺度到风力机尺度大气运动的模拟,能相对准确地给出风电场区域小尺度地形变化引起的风场细节。